基于ABAQUS的輪胎滑水仿真分析

應蓮花，劉 松，葛華輝，董玉德

（合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009）

近年來，汽車正在從奢侈品向生活必需品轉變，汽車需求量也在快速增長，汽車工業已經成為推動我國經濟發展的重要行業，輪胎行業也隨著汽車工業的發展得到了快速增長。輪胎作為汽車的重要零部件之一，人們越來越重視輪胎在汽車性能優化中所起的作用。輪胎的安全性能分析在輪胎研究中尤為重要，近年來，許多學者在這一領域不斷努力開拓，取得巨大進展[1]。

輪胎與地面接觸使得汽車能在道路上安全行駛，當輪胎與地面分離時，車輛就會喪失操控性和制動性，從而導致車禍的發生。下雨天開車時，路面上留有積水，且隨著車速的不斷提高，水不能及時被排出，輪胎胎面與路面之間將會形成水膜，此時動壓力與輪胎的載荷相平衡，輪胎將會漂浮在水膜上，與地面處于不接觸狀態，從而導致汽車的制動性能完全喪失，這種現象被稱之為輪胎滑水現象[2]。

輪胎花紋可以提高輪胎在濕滑路面上行駛的安全性，水主要向兩側排出，因此為了向兩側短距離排水并因此提高輪胎的臨界滑水速度，需要有短橫向溝的縱向花紋。本研究通過ABAQUS CEL方法建立具有12種不同花紋的輪胎有限元模型，并進行輪胎滑水仿真分析，比較不同花紋對輪胎滑水性能的影響。

1 輪胎滑水仿真模型的建立

輪胎滑水三區域如圖1所示[3]，在c區域，輪胎與路面完全接觸，水能夠順暢地通過輪胎排走，輪胎與地面正常摩擦。在b區域，有大量水通過輪胎兩側流散，但仍有一部分水膜留在輪胎上面，此時輪胎與路面處于不完全接觸狀態。在a區域，水流散不開，完全覆蓋在輪胎上面，其動壓力將汽車完全托起來，輪胎離開地面并與地面完全不接觸。

圖1 輪胎滑水三區域示意

1.1 輪胎模型

輪胎滑水仿真模型主要包括四部分：輪胎模型、路面模型、空氣模型和水模型[4]。輪胎的三維模型在SolidWorks中建立，共12種，分別為4種不同的橫溝花紋（圓周分布50個橫溝的彎折橫溝花紋和直橫溝花紋、圓周分布25個橫溝的彎折橫溝花紋和斜花紋，編號為a1—a4）、4種不同的縱溝花紋（縱向3條無彎折溝槽花紋、縱向3條有彎折溝槽花紋、縱向5條無彎折溝槽花紋和縱向3條無彎折階梯花紋，編號為b1—b4）以及4種不同的混合花紋（無彎折縱橫不連接50條橫溝、有彎折縱橫不連接50條橫溝、無彎折縱橫連接25條斜橫溝以及無彎折縱橫連接50條橫溝，編號為c1—c4）。每組4種不同花紋的總溝槽體積大致相同，選用輪胎規格為195/60R14，施加載荷3430 N，如圖2—4所示。然后將這些三維模型導入ABAQUS軟件中生成有限元模型。

圖2 4種橫溝花紋輪胎

圖3 4種縱溝花紋輪胎

圖4 4種混合花紋輪胎

1.2 濕滑路面有限元模型

本研究所用模型為“輪胎滾動模型”，即輪胎在很長的濕滑路面上既滾動也平動，而水在整個路面上覆蓋著，水流和路面都保持不變。這種模型更符合實際情況[5]，能夠反映輪胎在濕滑路面上的滾動和滑動情況，并且能夠反映輪胎在濕滑路面上滾動后留下的痕跡，適于輪胎滾動仿真及輪胎滾動后留下痕跡的研究[6]。

建立1條長2000 mm、寬300 mm的剛性路面，在路面上覆蓋長、寬與路面相同，厚度為10 mm的水膜層，由于水流只能在空氣層所包含區域內流動，因此同時在水膜層上定義1層厚度為50 mm的空氣層以利于輪胎排水時有足夠的散射空間[7]。進行網格劃分后得到濕滑路面的有限元模型，如圖5所示。

圖5 濕滑路面滑水仿真模型

2 結果與討論

本次仿真分析中，輪胎的平動速度都是從16 m·s-1提高到33 m·s-1，滾動速度則從54 rad·s-1變化到111 rad·s-1。

2.1 4種橫溝花紋輪胎

4種橫溝花紋輪胎的滑水痕跡對比如圖6所示，Z向位移-速度曲線對比如圖7所示。

圖6 4種橫溝花紋輪胎滑水痕跡對比

從圖7可以看出，斜花紋的滑水性能最好，因為其具有導水性能，可以將前方的積水導至后方，次之為圓周分布25個橫溝的彎折橫溝花紋，再次之為圓周分布50個橫溝的彎折橫溝花紋。對比可知，在溝槽總體積相同的情況下，減小橫向花紋溝數量、增大單個花紋溝體積可以優化輪胎的滑水性能。滑水性能最差的是無彎折圓周分布50個橫溝的橫溝花紋，原因是其花紋溝的總體積最小。可見在進行輪胎設計時，可以采用帶有傾斜的橫向溝槽花紋，并且在溝槽總體積相同的情況下，減小花紋溝數量，增大單個花紋溝體積，以優化輪胎的滑水性能。

圖7 4種橫溝花紋輪胎Z向位移-速度曲線對比

2.2 4種縱溝花紋輪胎

4種縱溝花紋輪胎的滑水痕跡對比如圖8所示，Z向位移-速度曲線對比如圖9所示。

圖8 4種縱溝花紋輪胎滑水痕跡對比

圖9 4種縱溝花紋輪胎Z向位移-速度曲線對比

從圖9可以看出，滑水性能最好的是縱向3條無彎折溝槽花紋和縱向3條無彎折階梯花紋，這兩者的差別不大，即階梯的影響不大，次之是縱向5條無彎折溝槽花紋，可見與橫向花紋相同，在溝槽總體積相同的情況下，減小花紋溝數量、增大單個花紋溝體積可以很好地優化輪胎的滑水性能。滑水性能最差的是縱向3條有彎折溝槽花紋，原因是有彎折的3條縱溝花紋對水有很大的阻力。因此對于縱溝花紋的設計來說，在溝槽總體積相同的情況下，可以減小花紋溝數量、增大單個花紋溝體積，以優化輪胎的滑水性能，并且有無彎折及彎折的大小對縱溝花紋滑水性能有很大的影響。

2.3 4種混合花紋輪胎

4種混合花紋輪胎的滑水痕跡對比如圖10所示，Z向位移-速度曲線對比如圖11所示。

圖10 4種混合花紋輪胎滑水痕跡對比

圖11 4種混合花紋輪胎Z向位移-速度曲線對比

從圖11可以看出，無彎折縱橫連接25條斜橫溝花紋排水性能最好，因為在溝槽總體積相同的情況下，其單個花紋溝體積最大，而且具有斜橫向花紋，導水性能很好。無彎折縱橫不連接50條橫溝花紋與無彎折縱橫連接50條橫溝花紋的滑水性能大致相同，無彎折縱橫連接50條橫溝稍好，因此可以考慮使縱橫花紋連接以增強排水性。滑水性能最差的是有彎折縱橫不連接50條橫溝花紋，原因是縱向花紋擔任排水職責，有彎折的縱向花紋對水的阻力很大，因此其滑水性能最差。可見，在進行混合花紋輪胎設計時，可以考慮縱溝無彎折，橫溝為斜橫溝，且縱橫相連的花紋。

3 結論

由輪胎滑水仿真結果可以得出下述結論。

（1）在進行橫向溝槽胎面花紋輪胎設計時，采用帶有傾斜的橫向溝槽花紋有利于輪胎排水，并且橫向花紋溝數量對輪胎滑水性能影響不大，其花紋溝體積對輪胎的滑水性能有顯著影響，增大單個花紋溝體積有利于提升輪胎滑水性能。

（2）對于縱向溝槽胎面花紋輪胎的設計來說，本次仿真縱溝條數越多，滑水性能越好，可見縱溝總體積對輪胎滑水性能有較大影響，并且無彎折花紋溝輪胎比有彎折花紋溝輪胎的滑水性能好。

（3）在進行混合花紋輪胎設計時，縱溝為無彎折花紋溝，橫溝為斜橫溝，且縱橫相連的花紋對輪胎滑水性能有較為明顯的優化作用。